«Замерзший дым» делает стеклянные кирпичи прочными и суперизоляционными

Как материал, изобретенный в 1930-х годах, может произвести революцию в способах строительства зданий

Миссия НАСА по изучению звездной пыли успешно собрала пыль из хвоста кометы и вернула ее на Землю. ... [+] Аэрогель, используемый в качестве собирающей среды, был разработан в Лаборатории реактивного движения. На этой фотографии 2002 года — доктор Питер Цоу со своим подносом, который использовался во время летных испытаний корабля «Звездная пыль»; идентичен тому, который использовался в Stardust. (Фото Кена Хайвли/Los Angeles Times через Getty Images)

В 1999 году НАСА запустило космический корабль с амбициозной миссией – собрать образцы пыли из хвоста далекой кометы и вернуть часть этих образцов на Землю. Через год после запуска с мыса Канаверал космический корабль Stardust собрал свои первые частицы межзвездной пыли. Четыре года спустя он достиг своей цели — кометы 81P/Wild, иногда известной как Wild 2 — и задействовал свой сборщик образцов. Описанный как «…металлический лоток для кубиков льда, установленный в большой теннисной ракетке», основным компонентом коллекционера был аэрогель кремнезема, необычная, легкая и полупрозрачная пена. Когда частица пыли попадала в аэрогель, она погружалась в него, плавно замедляясь до остановки. Аэрогель удерживал частицы на месте, сохраняя их. Когда капсула для возврата образцов наконец вернулась на Землю в 2006 году, она содержала десятки тысяч частиц, что позволило исследователям и представителям общественности изучить некоторые строительные блоки нашей Солнечной системы.

Изобретенные более шести десятилетий назад, аэрогели являются одними из самых легких твердых материалов, когда-либо известных. Хотя они могут быть изготовлены из различных химических соединений, наиболее распространенными являются соединения на основе диоксида кремния. Чтобы его сделать, вы объединяете диоксид кремния с растворителем, образуя влажный пористый гель, структурно похожий на желе (но не обманывайтесь, он несъедобен*). Затем вы подвергаете его процессу, называемому сверхкритической сушкой, при котором вы создаете давление и нагреваете гель в присутствии жидкости (например, углекислого газа). При правильном выполнении это удаляет жидкость из геля и заменяет ее воздухом, не повреждая при этом структуру. Твердая, но чрезвычайно низкая плотность структуры геля остается, что придает аэрогелям призрачный вид, которым они славятся. Аэрогелям кремнезема дали такие прозвища, как «замороженный дым» и «сплошное облако», а с пористостью где-то между 90 и 99,8% аэрогели действительно состоят в основном из воздуха. Это не только делает их очень легкими; это также означает, что они могут быть эффективными теплоизоляторами.

И именно здесь, на Земле, аэрогели кремнезема нашли наибольшее применение.

Повышение энергоэффективности зданий является ключевой частью нашего перехода к низкоуглеродному будущему. Текущее состояние отрасли неудовлетворительное. По данным Международного энергетического агентства, на эксплуатацию зданий приходится ошеломляющие 30% мирового потребления энергии. А Программа ООН по окружающей среде утверждает, что в последние годы эта доля не снижается, а продолжает расти; спрос на энергию в зданиях вырос примерно на 4% в период с 2020 по 2021 год – это самый большой рост за последние 10 лет.

Частично это было вызвано ростом городского населения – больше людей, больше зданий – но, похоже, на это также повлияла наша одержимость высокими стеклянными небоскребами.

Изоляция помогает улучшить тепловые характеристики здания. Фотограф: Серхио Флорес/Bloomberg

Конструкция ограждающей конструкции здания (его внешней оболочки) и материалы, использованные для ее строительства, оказывают огромное влияние на конечное энергопотребление здания. Стены, полы, потолки, окна, лестничные клетки, двери, лифтовые шахты и кровля в совокупности определяют тепловые характеристики всей конструкции. Это, в свою очередь, определяет затраты на поддержание комфортной температуры в помещении после того, как здание будет заселено**.

Повышение тепловых характеристик обычно означает увеличение толщины изоляции. Это не проблема для непрозрачных стен из бетона, дерева или кирпича. На рынке представлено бесчисленное множество изоляционных материалов, в том числе изготовленных из отходов и аэрогеля.